Los físicos de la EPFL han encontrado una manera de hacer que los fotones interactúen con pares de átomos por primera vez. El avance es importante para el campo de la electrodinámica cuántica de cavidades (QED), un campo de vanguardia que lidera el camino hacia las tecnologías cuánticas.

No hay duda de que avanzamos constantemente hacia una era de tecnologías basadas en la física cuántica. Pero para llegar primero tenemos que dominar la capacidad de hacer que la luz interactúe con la materia, o más técnicamente, fotones con átomos.

Esto ya se ha logrado hasta cierto punto, dándonos el campo de vanguardia de la electrodinámica cuántica de cavidades (QED), que ya se utiliza en redes cuánticas y procesamiento de información cuántica. Sin embargo, todavía queda un largo camino por recorrer. Las interacciones luz-materia actuales se limitan a átomos individuales, lo que limita nuestra capacidad para estudiarlos en el tipo de sistemas complejos involucrados en las tecnologías cuánticas.

En un artículo publicado en Naturaleza , Los investigadores del grupo de Jean-Philippe Brantut de la Facultad de Ciencias Básicas de la EPFL han encontrado una forma de conseguir que los fotones se "mezclen" con pares de átomos a temperaturas ultrabajas.

Los investigadores utilizaron lo que se conoce como gas Fermi, un estado de la materia formado por átomos que se asemeja al de los electrones en los materiales. "En ausencia de fotones, el gas se puede preparar en un estado en el que los átomos interactúan muy fuertemente entre sí, formando pares sueltos, "explica Brantut." A medida que se envía luz al gas, algunos de estos pares pueden convertirse en moléculas unidas químicamente mediante la absorción con fotones ".

Un concepto clave en este nuevo efecto es que ocurre "coherentemente, "lo que significa que el fotón se puede absorber para convertir un par de átomos en una molécula, luego emitido de vuelta, luego se reabsorbe varias veces. "Esto implica que el sistema par-fotón forma un nuevo tipo de 'partícula', técnicamente una excitación, que llamamos 'par-polaritón, '", dice Brantut." Esto es posible en nuestro sistema, donde los fotones están confinados en una 'cavidad óptica', una caja cerrada que los obliga a interactuar fuertemente con los átomos ".

Los pares-polaritones híbridos adquieren algunas de las propiedades de los fotones, lo que significa que se pueden medir con métodos ópticos. También adquieren algunas de las propiedades del gas Fermi, como el número de pares de átomos que tenía originalmente antes de los fotones entrantes.

"Algunas de las propiedades muy intrincadas del gas se traducen en propiedades ópticas, que se puede medir de forma directa, e incluso sin perturbar el sistema, "dice Brantut." Una aplicación futura sería en química cuántica, ya que demostramos que algunas reacciones químicas se pueden producir de manera coherente utilizando fotones individuales ".